CN108696166A

CN108696166A - 一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法

Info

Publication number: CN108696166A
Application number: CN201810633007.5A
Authority: CN
Inventors: 姜卫东; 李来保; 王金平; 李劲松; 翟飞
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2018-06-20
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2018-10-23

Abstract

本发明涉及一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，首先采集三电平变流器的三相电压和三相电流并进行排序，然后在调制过程中，选择共模电压较小的空间矢量以降低系统的共模电压，根据所述变流器的占空比调制模型，计算出各相各个电平的占空比，由占空比得出各相的调制波，最后通过调制波与载波比较得到两个PWM序列，将其相加就可以得到该相的整个PWM序列。与现有技术相比，本发明无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现，且在调制过程中，可将系统的共模电压降低到u_dc/6；且每相0电平的占空比在一个开关周期内始终相等，实现中点电压平衡。

Description

一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法

技术领域

本发明涉及三电平变流器的调制方法，更具体地说是涉及一种三电平变流器的抑制共模电压和消除中点电压振荡的新型虚拟空间矢量脉宽调制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，尤其在大容量、高电压场合，三电平拓扑的应用越来越广泛，每个功率管承受的电压为直流侧电压的一半。此外，三电平拓扑还具有输出波形的谐波含量低、效率高和开关管电压应力较低的优点。但由于功率管数量的增多，控制算法复杂，伴随着中点电压偏移、共模电压抑制等问题。

为使三电平变流器具有良好的输出特性，高效的脉宽调制方法应满足以下两个要求：

1)具备良好的中点电压平衡能力，同时中点电压存在一定波动时，也能具有较好的输出特性；

2)抑制共模电压，提高系统的稳定性。

中点电压的波动是三电平变流器的关键问题之一。中点电压波动包含直流偏移和交流纹波。当采用电压开环控制策略时，中点电压不平衡会导致输出三相电流的正弦度变差；使用电流闭环控制能够提高输出电流质量，但可能会加剧中点电压不平衡。中点电压偏移、波动不仅会造成变流器输出电压、电流的质量降低，严重时，甚至会造成直流侧电容耐压过高导致损耗，影响变流器系统的使用寿命。共模电压是衡量变流器高效运行的重要指标之一。共模电压会带来很多负面影响，变流器产生的较大的共模电压在电动机的转轴上感应出高幅值的轴电压，并形成轴电流，破坏绝缘，缩短电动机的使用寿命。另外高频共模电压会产生高频漏电流，从而产生电磁干扰，影响周围电气设备的正常工作。

中点电压平衡是能够保证变流器安全可靠运行的必要前提，常见的具有中点电压平衡能力的三相三电平变流器的调制方法有：基于零序电压注入的载波脉宽调制(CBPWM)方法、基于冗余矢量调节的空间矢量调制(SVPWM)方法以及虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM)方法。其中，CBPWM方法虽然具有低开关损耗的特性，但其零序电压的计算较为复杂，中点电压平衡效果受多种因数影响；SVPWM方法通过矢量合成规则安排各矢量的作用时间，同样计算量庞大，不易于实现；VSVPWM方法虽然具备中点电压平衡能力，但会使用共模电压较高的基本空间矢量，增加了系统的共模电压。

因此，需要提供一种在全调制范围内，都可实现中点电压平衡的同时降低系统共模电压的三电平变流器的调制方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，在降低系统共模电压的基础上实现中点电压的平衡控制，提高三电平变流器稳定性，从而实现三电平变流器的优化控制。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明提供了一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，包括如下步骤：

步骤S1、采集所述三电平变流器直流侧的三相输出电压u_A、u_B、u_C，并对所述三相输出电压排序，确定出最大电压u_max＝max(u_A，u_B，u_C)，最小电压u_min＝min(u_A，u_B，u_C)和中间电压u_mid＝mid(u_A，u_B，u_C)；

步骤S2、根据所述三电平变流器的占空比调制模型，计算出占空比；

步骤S3、根据计算出的占空比，计算出三相双调制波；

步骤S4、根据所述计算的三相调制波，每相的双调制波和同一载波的比较，得到每相的两组PWM序列，再将每相的两组PWM序列相加，得到完整的PWM序列。

优选的，所述步骤S1还包括，采集所述三电平变流器直流侧的上电容电压u_C1、下电容电压u_C2，三相输出相电流i_A、i_B、i_C。

优选的，所述步骤S2中的计算占空比，具体为：

步骤S2.1、所述三电平变流器的输出侧通过采用星形连接方式，使得所述三电平变流器的输出三相电压u_A、u_B、u_C加和为零，若在一个控制周期内，每相输出电平不受限制，则基于伏秒平衡原理，输出线电压关系可表示为：

其中，d_x,2、d_x,1、d_x,0分别表示所述三电平变流器的x相2电平、1电平、0电平的占空比，其中，x＝max、mid、min，u_dc表示直流侧总电压，u_dc＝u_C1+u_C2。

步骤S2.2、假设三相电流的幅值和方向在一个控制周期内不变，则中点电压平衡条件是注入中点的电流总和在一个控制周期内等于零，当负载处于星形连接时：

d_max,1＝d_mid,1＝d_min,1

步骤S2.3、令最大电压所对应的max相由2电平和1电平组成，中间电压所对应的mid相由2电平、1电平和0电平组成，最小电压所对应的min相由1电平和0电平组成，则有：

d_max,0＝d_min,2＝0

从而得到max相、mid相和min相的2电平、1电平、0电平的占空比表达式为：

式中，d_x,2、d_x,1、d_x,0分别表示所述三电平变流器的x相2电平、1电平、0电平的占空比，其中，x＝max、mid、min；u_max、u_min、u_mid分别表示三相输出相电压的最大电压、最小电压和中间电压。

优选的，根据几何关系得到所述三电平变流器的双调制波可表示为：

式中，u_k′、u″_k表示所述三电平变流器k相的双调制波，其中，k＝max,mid,min；

优选的，所述三电平变流器的虚拟矢量选择过程中，由27个开关状态和19个电压矢量组成的空间矢量图中不使用共模电压较大的空间矢量。

本发明的有益效果在于：

1)本发明在调制过程中，选择共模电压较小的空间矢量，可将系统的共模电压降低到u_dc/6；且每相0电平的占空比在一个开关周期内始终相等，实现中点电压平衡；

2)本发明无需增加任何外设，系统成本低，控制方法简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明提出的调制方法的流程图；

图2为现有技术中中点钳位型三电平变流器的主电路图；

图3为本发明的单载波与双调制波实现方式；

图4为本发明的三电平变流器的空间矢量图；

图5为本发明的调制方法在A扇区的电压矢量图；

图6a为SVPWM在m＝0.3时的稳态实验结果；

图6b为SVPWM在m＝1.1时的稳态实验结果；

图6c为本发明所提出调制方法在m＝0.3时的稳态实验结果；

图6d为本发明所提出调制方法在m＝1.1时的稳态实验结果；

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

本实施例提供了一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，如图1所示，首先采集三电平变流器各相电压和电流并进行排序，根据所述变流器的占空比调制模型，计算出各相各个电平的占空比，由占空比得出各相的双调制波，最后通过调制波与载波比较得到两个PWM序列，将其相加就可以得到该相的整个PWM序列。结合图1和图2，按如下步骤进行：

步骤S1：利用电压传感器采集图2中所述三电平变流器直流侧上的上电容电压u_C1、下电容电压u_C2，三相输出相电流i_A、i_B、i_C，三相输出相电压u_A、u_B、u_C，并对所述三相输出电压排序，得到最大电压u_max＝max(u_A，u_B，u_C)，最小电压u_min＝min(u_A，u_B，u_C)和中间电压u_mid＝mid(u_A，u_B，u_C)。

步骤S2：据所述三电平变流器的占空比调制模型，计算出占空比；

d_max,1＝d_mid,1＝d_min,1

d_max,0＝d_min,2＝0

步骤S3：根据几何关系得到所述三电平变流器的双调制波可表示为：

式中，u′_k、u″_k表示所述三电平变流器k相的双调制波，其中，k＝max,mid,min；

进一步的，根据上述公式，可以得到：

步骤S4：图3给出了FNPBPWM基于单载波、双调制波的实现方式。将每相的双调制波和同一载波的比较，得到每相的两组PWM序列，再将每相的两组PWM序列相加，获得每相完整的PWM序列，输出PWM序列，完成调制。

实施例2.

本发明的三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，所述三电平变流器的虚拟矢量选择过程中，选择共模电压较小的空间矢量，将系统的共模电压降低到u_dc/6，其中，u_dc为变流器直流侧电压，并有：u_dc＝u_C1+u_C2。图4给出了三电平变流器的空间矢量图，由27个开关状态和19个电压矢量组成。在调制过程中，不使用[1,1,0],[1,1,1]和[0,1,1]等共模电压较大的空间矢量，可将系统的共模电压降低到u_dc/6。

以A扇区的V_ref矢量作为示例，说明本发明的调制方法：

由图4可以看出，将u₂与u_16L合成得到位于u₁位置的虚拟矢量u_NZS1.1，同样将u₁₇和u_4L合成，也能到位于该位置的虚拟小矢量u_NZS1.2。

将u₂和u_7U，u₅和u_1U合成，分别得到位于u₄位置的虚拟小矢量u_NZS2.1和u_NZS2.2，以上得到虚拟矢量的方法可表示为：

引入新的虚拟矢量后，得到A扇区的矢量图如图5所示。在A扇区内仅使用零矢量u₀,大矢量u₃，u₆和新的虚拟小矢量。当参考矢量V_ref位于A1区域时，选择u₀，u₆和u_NZS1.1或u_NZS1.2合成V_ref，若电压矢量的作用占空比分别为d₁,d₂和d₃，并且考虑虚拟小矢量分别是由作用时间相同的u₂与u_16L，u_4L与u₁₇合成，所以得到矢量合成关系和中点电流为：

i_NP＝(i_A+i_B+i_C)(d₁+d₃/2)＝0 (3)

式中，i_NP表示所述三电平变流器的中点电流。

可以看出，本发明提出的调制方法只使用较低共模电压的基本矢量或虚拟矢量，它们对中点电压都没有影响。因此，本发明可以同时实现抑制共模电压和消除中点电压振荡的控制目标。

实施例3.

结合图6a-6d，分别在调制度m＝0.3和m＝1.1时进行实验，验证本发明所提出调制方法的正确性，图5给出了在不同调制度下，SVPWM和本发明所提出调制方法的稳态实验结果。从图6a和b可以看出，采用SVPWM时，中点电压出现明显的振荡现象。当m＝1.1时，振荡幅度约为直流母线电压的3％，共模电压约为67V(±u_dc/3)。从图6c和d可以看出，采用本发明所提出的调制方法可以很好地抑制中点电压的低频振荡，且共模电压降低到33V(±u_dc/6)。实验结果表明，本发明所提出的调制方法能够在平衡中点电压的前提下，降低系统的共模电压，提高变流器的稳定性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤S3、根据计算出的占空比，计算出三相双调制波；

2.根据权利要求1所述的三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S1还包括，采集所述三电平变流器直流侧的上电容电压u_C1、下电容电压u_C2，三相输出相电流i_A、i_B、i_C。

3.根据权利要求2所述的三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述步骤S2中的计算占空比，具体为：

步骤S2.1、所述三电平变流器的输出侧通过采用星形连接方式，使得所述三电平变流器的输出三相电压u_A、u_B、u_C加和为零，若在一个控制周期内，每相输出电平不受限制，则基于伏秒平衡原理，输出线电压关系表示为：

其中，d_x,2、d_x,1、d_x,0分别表示所述三电平变流器的x相2电平、1电平、0电平的占空比，其中，x＝max、mid、min，u_dc表示直流侧总电压，u_dc＝u_C1+u_C2；

d_max,1＝d_mid,1＝d_min,1

d_max,0＝d_min,2＝0

。

4.根据权利要求3所述的三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，根据几何关系得到所述三电平变流器的双调制波表示为：

式中，u′_k、u″_k表示所述三电平变流器k相的双调制波，其中，k＝max,mid,min。

5.根据权利要求1所述的三电平变流器的虚拟空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述三电平变流器的虚拟矢量选择过程中，由27个开关状态和19个电压矢量组成的空间矢量图中不使用共模电压较大的空间矢量。